浙江大学谢涛教授、郑宁研究员AM：数字编程策略实现多材料液晶弹性体集成，推动软机器人创新

摘要：生物系统通过空间组织的材料异质性实现复杂功能，例如“硬”区域提供必要的机械性能，“软”区域完成关键的生存功能，这一原理为软机器人材料设计提供了巨大潜力。液晶弹性体（LCEs）作为理想的软机器人材料，其性能受限于难以实现材料属性的精确空间控制。尽管通过数字控制介

生物系统通过空间组织的材料异质性实现复杂功能，例如“硬”区域提供必要的机械性能，“软”区域完成关键的生存功能，这一原理为软机器人材料设计提供了巨大潜力。液晶弹性体（LCEs）作为理想的软机器人材料，其性能受限于难以实现材料属性的精确空间控制。尽管通过数字控制介晶排列可在均质LCE中实现复杂驱动，但开发具有异质机械与驱动性能的多材料LCE系统仍面临挑战。传统方法如焊接LCE薄膜或利用动态共价键调控性能，往往存在界面突变、空间选择性有限等问题，严重制约了LCE的设计灵活性与功能复杂性。

近日，浙江大学谢涛教授、郑宁研究员课题组提出了一种数字编程策略，通过控制网络拓扑设计实现了LCE中的多材料集成。该方法利用光照射与热固化触发的顺序正交反应，实现了可编程的网络拓扑结构。借助数字光图案化技术对固化过程进行时空调控，研究人员在单一LCE材料中实现了离散局部及梯度拓扑变化，从而赋予材料异质的相变温度、驱动响应与光学性能。这一拓扑编程策略显著拓展了LCE驱动器的设计可能性，为先进软机器人材料系统的发展开辟了新路径。相关论文以“Accessing Multi-Material Liquid Crystal Elastomers Via Digitally Programmable Network Topologies”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队通过切换聚合序列，成功构建了异质拓扑结构。如图1所示，采用“先热后光”（Heat-Light）与“先光后热”（Light-Heat）两种顺序处理同一前驱体，可分别形成轻度交联的支化网络与高度交联的网格网络。进一步通过数字光投影仪调控光照强度，可在中间状态下形成连续变化的拓扑结构，为材料性能的精准调控提供了理论基础。

图1. 数字可编程网络拓扑 a) 通过切换聚合序列实现网络拓扑控制的示意图。 b) 前驱体中使用的单体及不同聚合序列下的化学反应。 c) 通过恒定曝光时间下改变光强，利用数字光控制实现不同网络拓扑。

为验证化学设计原理，研究人员进行了模型实验。如图2所示，通过核磁共振监测功能基团在光与热刺激下的转化情况，发现光触发反应主要消耗（甲基）丙烯酸酯基团，而热诱导反应则优先促使异氰酸酯参与反应。这一正交反应特性为后续在LCE中构建多样化网络拓扑奠定了基础。

图2. 光与热刺激下功能基团反应的模型实验 a) 模型分子及被监测质子的位置。 b) 光触发反应后的¹H-NMR结果。 c) 不同光照时间下功能基团的转化率。 d) 热诱导反应后的¹H-NMR结果。 e) 不同加热时间下功能基团的转化率。

在LCE系统中，研究者引入了液晶单体RM257、链延伸剂DODT和功能调节剂IEMA，通过调控IEMA含量与聚合序列，制备出具有不同性能的聚合物薄膜。如图3所示，DSC结果显示，不同序列制备的样品其向列相-各向同性相转变温度存在显著差异；宏观图像与力学测试进一步证实，Light-Heat序列样品具有更高的模量与透明度，而Heat-Light序列样品则更易保留液晶相并表现出更优的驱动可调性。

通过数字光图案化技术，研究人员将两种序列集成于同一材料中，实现了图案的可编程隐藏与显示。如图3f所示，在室温下图案不可见，随着温度升高，Heat-Light区域因较低相变温度率先变透明，显示出预设图案；继续加热则全部区域透明，图案消失。这种温度响应性图案显示技术在防伪领域具有潜在应用价值。

图3. 通过两种聚合序列合成的LCE薄膜性质 a) 用于合成LCE的单体。 b) 不同IEMA含量下通过不同聚合序列合成样品的DSC曲线。 c) 不同条件下聚合物薄膜的图像（比例尺：1 cm）。 d) 聚合物的杨氏模量。 e) 10%-Light-Heat与10%-Heat-Light样品的应力-应变曲线。 f) 通过两种液晶相变实现多畴LCE薄膜中图案的出现与擦除。

进一步地，研究团队探索了LCE的驱动行为与介晶对齐能力。如图4所示，Heat-Light样品因交联密度较低且富含动态硫代氨基甲酸酯键，更易通过应力松弛实现介晶对齐，从而表现出显著的可逆驱动应变。通过优化温度与时间条件，材料在120°C下处理1小时后，可实现高达65%的驱动应变，并具备优异的循环稳定性。此外，通过空间图案化设计，可在同一材料中集成多种驱动行为，实现复杂形变模式。

图4. 10%-Heat-Light与10%-Light-Heat LCE样品的对齐固定 a) 动态键交换与LCE网络对齐固定示意图。 b) 可逆驱动图像（比例尺：1 cm）。 c) 样品在取向前后的二维广角X射线散射图像。 d) 10%-Heat-Light样品在不同温度下的应力松弛曲线。 e) 在120°C下应力松弛时间与驱动应变的关系。 f) 预拉伸应变与驱动应变的关系。 g) 10%-Heat-Light样品的循环可逆驱动。 h) 通过空间切换聚合序列实现的LCE形变图案。

利用数字光照的时空选择性，研究人员进一步实现了LCE中相变温度的连续梯度调控。如图5所示，通过调节光照强度，可在同一薄膜中构建具有不同相变温度的区域，甚至实现沿长度方向的连续梯度变化。这种梯度设计使得材料在加热过程中可呈现图案的依次显现或消失，并实现了星形薄膜四角在冷却过程中的顺序折叠行为，展示了在软机器人中实现程序化顺序驱动的潜力。

图5. 通过数字光控制实现LCE样品的梯度相变温度图案化 a) 在不同数字光强度下合成样品的DSC曲线。 b) 具有点阵图案的LCE薄膜的相变过程。 c) 具有圆形与方形点阵图案的LCE薄膜的顺序相变。 d) LCE薄膜中“LCE”图案的出现及三个字母的顺序消失。 e) 具有纵向梯度相变温度的LCE薄膜的连续相变。 f) 四角星形LCE薄膜在冷却过程中的顺序折叠。

该研究通过光热调控的聚合序列编程，实现了液晶弹性体网络拓扑的精准设计与多材料无缝集成。与传统方法相比，该策略在拓扑多样性、光学与驱动性能调控方面展现出显著优势。未来，这一技术有望广泛应用于防伪、信息显示及智能软体机器人等领域，为实现具有生物启发式功能的先进材料系统提供新范式。